累積效應(yīng)下初支混凝土爆破損傷規(guī)律研究

王海龍，李 帥, 趙 巖

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)試驗(yàn)室，河北 張家口 075000 ；2.河北寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

鉆爆法施工中，在循環(huán)爆破作業(yè)下，初支混凝土往往要在達(dá)到終凝強(qiáng)度前承受循環(huán)的爆破荷載的沖擊。這必然會引起初支混凝土內(nèi)部產(chǎn)生劣化，導(dǎo)致其宏觀力學(xué)性能降低[1-2]，減弱支護(hù)結(jié)構(gòu)的支承能力，進(jìn)而威脅到隧道內(nèi)施工人員的人身安全。因此對初支混凝土在循環(huán)爆破作用下的損傷規(guī)律的研究很有必要。

聲波測試作為一個(gè)無損的測試方法，具有操作簡便性、成果易判讀等優(yōu)點(diǎn)，因此，學(xué)者們越來越多使用此方法研究爆破損傷效應(yīng)。夏文俊等[3]基于不同爆破方式下爆前爆后巖體聲波速度的對比檢測數(shù)據(jù)以及壩基巖體鉆孔內(nèi)預(yù)埋速度傳感器的振動測試結(jié)果，建立壩基巖體損傷程度與質(zhì)點(diǎn)峰值振速的對應(yīng)關(guān)系，提出與聲波速度降低率相關(guān)的質(zhì)點(diǎn)峰值振速安全閾值; Yong Fang等[4]利用超聲波檢測對豎井周圍的爆破損傷區(qū)(BDZ)進(jìn)行了測試，并將其納入收斂約束法(CCM)和三維數(shù)值分析中，以評估BDZ對圍巖襯砌的影響；單仁亮等[5]研究發(fā)現(xiàn)，距掌子面的距離與噴射混凝土累積損傷之間存在退化的非線性關(guān)系。

現(xiàn)有研究成果主要集中在圍巖的爆破損傷效應(yīng)[6-10]，而對初支混凝土的爆破累積損傷研究相對較少[11-12]。為研究初支混凝土的爆破累積損傷，本文引入等效距離和等效藥量的概念，通過優(yōu)化爆破損傷公式研究初支混凝土考慮累積效應(yīng)的爆破損傷規(guī)律。

1 工程監(jiān)測

1.1 工程背景

本文以某鐵路隧道正洞爆破工程為背景，正洞洞身主要穿越早遠(yuǎn)古代變質(zhì)巖系紅旗營子群斜長片麻巖等，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整圍巖穩(wěn)定性一般～較差，初期支護(hù)采用C25噴射混凝土。本文使用的爆破振動信號和噴射混凝土的聲波數(shù)據(jù)均由此隧道正洞小里程鉆爆法施工產(chǎn)生。

1.2 監(jiān)測方案

爆破振動信號的采集使用M20型爆破測振儀，同時(shí)采集x、y、z方向上的爆破振動速度，并對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析并提取質(zhì)點(diǎn)峰值振速(PPV)，數(shù)據(jù)采集過程中使用不銹鋼夾片將傳感器固定于隧道內(nèi)線路行進(jìn)方向右側(cè)約1.5 m高度處，傳感器y方向指向隧道掘進(jìn)方向，x方向指向隧道徑向，z方向垂直于xy平面上。聲波波速的采集使用RSM-SY5(T)非金屬聲波檢測儀采集現(xiàn)場爆破施工前后爆破振速監(jiān)測點(diǎn)旁所設(shè)觀測點(diǎn)的聲波數(shù)據(jù)，測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測點(diǎn)布置Fig.1 Layout of measuring points

2 振速衰減規(guī)律

考慮到分段爆破同一段位的多個(gè)炮孔與振動傳感器的距離不相同，各段位炮孔裝填炸藥量也不同，為此使用等效藥量和等效距離代替最大段位藥量和爆心距[13]：

(1)

(2)

式中：R′為等效距離；Q′為等效藥量；qi為同段第i個(gè)炮孔裝藥量；ri為同段第i個(gè)炮孔距離傳感器的距離。

各測點(diǎn)PPV及對應(yīng)的爆破參數(shù)如表1所示，通過式(1)和式(2)即可得到基于薩道夫斯基公式的振速衰減公式：

(3)

分別由薩道夫斯基公式和式(3)對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到PPV值的預(yù)測公式：

(4)

(5)

式(4)和式(5)預(yù)測的PPV值與實(shí)測數(shù)據(jù)對比如表2所示，除個(gè)別測點(diǎn)外，式(5)預(yù)測值的相對誤差皆小于式(4)。

表1 各測點(diǎn)PPV及對應(yīng)的爆破參數(shù)

表2 預(yù)測數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

3 爆破損傷規(guī)律

初支混凝土在循環(huán)爆破作用下宏觀力學(xué)性質(zhì)的劣化，可表現(xiàn)在聲波速度的降低[14-16]，現(xiàn)場采集的聲波數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各測點(diǎn)聲波監(jiān)測數(shù)據(jù)

在計(jì)算圍巖累積損傷時(shí)，工程上常使用同部位爆破前后圍巖聲波速度變化率η來衡量損傷度D，即

(6)

式中：v0和v分別為爆破前、后的圍巖聲波速度。

隧道初期支護(hù)混凝土在循環(huán)爆破荷載作用下，其力學(xué)性能的不斷劣化，可用公式表示為

(7)

式中：E0為爆破前圍巖的彈性模量。

根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)知識，爆破前巖體聲波縱波波速為

(8)

式中：E為圍巖的彈性模量；ρ為圍巖密度；μ為泊松比。

聯(lián)立式(6)～式(8)，可得

(9)

則損傷增量可表示為

(10)

式中：ΔDi為第i次(i=1,…,n)爆破后初支混凝土損傷增量；vi為第i次爆破作用后初支混凝土的聲波速度。

故第n次爆破作用后，初支混凝土的累積損傷度可表示為

(11)

式中：D0為初支混凝土的初始損傷，本文中假設(shè)初始損傷D0取值為0。

爆破前后損傷增量ΔD和累積損傷D如表4所示，除1號測點(diǎn)外，經(jīng)過5次爆破后累積損傷D均大于或等于0.19，達(dá)到臨界破壞值[17]，可以認(rèn)為爆破作用對初支混凝土產(chǎn)生了損傷。

表4 爆破前后損傷增量和累計(jì)損傷

分析表3和表4數(shù)據(jù)即可得到初支混凝土累積損傷規(guī)律(見圖2)，隨著爆破次數(shù)增加，累積損傷也在變大，但損傷增量卻在逐漸減少，與損傷增量圖像相應(yīng)的是爆破累積損傷呈斜率逐漸減小的非線性增長，主要原因在于距離爆破中心距離越來越遠(yuǎn)，爆破作用影響逐步減弱。損傷增量與等效距離的關(guān)系與PPV隨等效距離增加的衰減規(guī)律具有相似性(見圖3)。經(jīng)Shapior-wilk檢驗(yàn)，PPV和損傷增量均符合正態(tài)分布，且Pearson相關(guān)性系數(shù)均大于0.97，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果顯示PPV和損傷增量具有較為顯著的線性相關(guān)性(見表5)。通過使用損傷增量數(shù)據(jù)對PPV衰減公式進(jìn)行擬合，擬合后的r2均大于0.9，擬合結(jié)果如下

(12)

圖2 爆破損傷與損傷增量的變化規(guī)律Fig.2 Variation law of blasting damage and damage increment

圖3 損傷增量和PPV隨等效距離變化的關(guān)系Fig.3 The relationship between damage increment and PPV with equivalent distance

表5 損傷增量和PPV相關(guān)性檢驗(yàn)

4 結(jié)論

1)用等效藥量和等效距離代替最大段位藥量和爆心距得到的PPV衰減公式與傳統(tǒng)的薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式相比，PPV值的預(yù)測結(jié)果更加接近實(shí)測值。

2)根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)知識推導(dǎo)了爆破損傷增量的公式， 5個(gè)測點(diǎn)爆破損傷增量的計(jì)算結(jié)果表明，距爆源較近的4個(gè)測點(diǎn)在5次爆破后均達(dá)到了爆破損傷限值0.19，可以認(rèn)為爆破作用對初支混凝土產(chǎn)生了不利影響。

3)爆破累積損傷隨爆破次數(shù)呈非線性增加的規(guī)律，但損傷增量隨爆破次數(shù)增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，損傷增量隨等效距離變化的關(guān)系與PPV衰減規(guī)律相似且損傷增量和PPV具有較為顯著的線性相關(guān)性。